Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/93857
Title: Capture and conversion studies of carbon dioxide into chemical products
Other Titles: Estudos de captura e conversão de dióxido de carbono em produtos químicos
Authors: Gonçalves, Ana Carolina Spínola
Orientador: Ferreira, Abel Gomes Martins
Ferreira, Licínio Manuel Gando de Azevedo
Keywords: Sequestro de CO2; Extração por solvente; Carbonatação Mineral; Grits; Carbonato de Cálcio; CO2 Sequestration; Solvent Extraction; Mineral Carbonation; Grits; Calcium Carbonate
Issue Date: 29-May-2020
Serial title, monograph or event: Capture and conversion studies of carbon dioxide into chemical products
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: A captura e armazenamento de carbono (CAC) e a captura e utilização de carbono (CCU) são consideradas internacionalmente como potencial medidas de mitigação para a redução de emissões atmosféricas de dióxido de carbono geradas em grandes fontes industriais. Este estudo incide sobre uma análise teórica das várias opções das tecnologias de CAC e CCU, e uma parte experimental sobre a carbonatação mineral utilizando um resíduo industrial alcalino, os grits, formados durante o processo Kraft na produção de pasta de papel. A parte experimental do estudo foi realizada no Centro de Investigação para os Processos Químicos e Produtos da Floresta (CIEPQPF) do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Coimbra.Foi adotada a via de carbonatação mineral indireta composta por duas etapas: a etapa de extração de cálcio e a etapa de carbonatação originando um precipitado de carbonato de cálcio. Numa primeira abordagem foram analisados quatro possíveis solventes de extração (HNO3, CH3COOH, NaOH e o NH4Cl), de forma a determinar qual dos solventes teria um melhor desempenho na fase de extração de cálcio dos grits. De entre os quatro solventes apenas o HNO3 e o CH3COOH se destacaram com eficiências de remoção de 79,4 e 73,2 %, respetivamente, depois de 2 horas de operação a 30 oC. Testes cinéticos com os dois solventes demonstraram que inicialmente a cinética de dissolução do resíduo era muito rápida, estabilizando após 60 minutos. O HNO3 teve um melhor desempenho sobretudo nas eficiências registadas, contudo como é um ácido de natureza corrosiva e com custos associados elevados, optou-se pelo CH3COOH como solvente de extração de Ca dos grits. Um planeamento Box-Behnken com três fatores (temperatura, concentração da solução de CH3COOH e razão sólido/líquido, S/L(g/L)) com três níveis foi utilizado para determinar as condições ótimas da etapa de extração. A partir da análise estatística dos resultados, tendo como base o diagrama de Pareto, foi possível determinar quais os fatores que mais influenciam a extração de Ca. A concentração de ácido acético e a razão sólido-líquido foram os únicos fatores que demonstraram resultados com significância estatística, contribuindo positivamente e negativamente para a eficiência de extração de Ca, respetivamente. As análises baseadas na metodologia da superfície de resposta e função de “desirability” permitiram encontrar as condições ótimas: concentração de ácido de 2M, temperatura de 45ºC e razão sólido/líquido de 30g/L com uma eficiência de extração de cerca de 77 %.Na segunda etapa, foram realizadas experiências de carbonatação para a precipitação de carbonato de cálcio, fazendo reagir o licor rico em cálcio, obtido na etapa de extração sob condições ótimas, com uma corrente gasosa de CO2 num reator de pressão feito de inox. Essas experiências foram planeadas de acordo o projeto do tipo Box-Behnken com dois fatores (temperatura e pressão no interior do reator). A análise estatística dos resultados demonstrou que a única variável com significado estatístico era o efeito quadrático da temperatura, contribuindo negativamente para a eficiência de carbonatação. Deste modo, conclui-se que os intervalos de variação dos fatores selecionados não permitiram obter a variabilidade desejada para a eficiência de carbonatação. Contudo, foi possível obter condições ótimas de 30ºC e 30 bar, com eficiências de carbonatação na ordem dos 74 %, correspondendo uma capacidade de sequestro de CO2 de cerca de 460 kg CO2 /ton de grits.
The carbon capture and storage (CCS) and carbon capture and utilization (CCU) have been considered internationally as potential measures to reduce the atmospheric emissions of carbon dioxide by large industrial sources.This study focuses on a theoretical analysis of the several options given by the CCS and CCU, and experimental work of mineral carbonation using an alkaline industrial waste, the grits, formed during the Kraft process in the production of paper pulp. The experimental tests were carried out at Chemical Process Engineering and Forest Products Research Centre (CIPQPF), Department of Chemical Engineering of University of Coimbra. The route of the indirect mineral carbonation was adopted, composed by two steps: first the extraction of calcium from the grits and second the precipitation of calcium carbonate. In a first approach, four possible extraction solvents were analyzed (HNO3, CH3COOH, NaOH and NH4Cl) to determine which solvent exhibited the best performance of the extraction of Ca from the grits. Among them, only HNO3 and CH3COOH have shown significant results with extraction efficiencies of 79.4 and 73.2%, respectively, after 2 h at 30 oC. Kinetic tests conducted with the two solvents demonstrated that initially the rate of the extraction process of Ca was very fast, stabilizing after 60 minutes. Since the nitric acid is a corrosive acid and with high associated costs, the acetic acid was selected for dissolution of grits and extraction of calcium. A Box-Behnken design with three factors (temperature, concentration of CH3COOH solution and solid/liquid ratio) having three levels was used to determine the optimal conditions of the extraction step. From the Pareto chart, it was possible to conclude that the acetic acid concentration and the solid-liquid ratio were the factors that demonstrated results with a significant statistical level, contributing positively and negatively to the efficiency of Ca extraction, respectively. The analysis based on the response surface methodology and the desirability functions allowed to found the following optimal conditions: acetic acid concentration of 2M, solid/liquid ratio of 30 g/L and temperature of 45ºC with an efficiency approximately of 77%. In the second step, carbonation experiments for the precipitation of CaCO3 were performed contacting the Ca-rich liquor, obtained from the extraction step operated under optimal conditions, with a flux of pure CO2 gaseous in a stainless inox reactor. These experiments were planned according to a Box-Behnken design with two factors (temperature and the pressure inside the reactor) at three levels. The statistical analysis of the results demonstrated that the only variable with a significant statistical level was the quadratic effect of the temperature, contributing negatively to the carbonation efficiency. Therefore, the ranges of the levels selected for the 2 factors do not produced a desired variability in the carbonation efficiencies. However, the response surfaces and desirability functions led to optimal conditions of 30 ºC and 30 bar, reaching a carbonation efficiency of 74%, corresponding a CO2 sequestration capacity of 460 kg CO2/ton of grits.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/93857
Rights: embargoedAccess
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